本发明涉及一种包括电热加热元件的风力涡轮机叶片。
背景技术
WO2019/001657中公开了一种用于风力涡轮机叶片的电热加热元件。加热元件包括导电电阻性材料；两个用于向导电电阻性材料供电的有源母线；以及至少一个位于导电电阻性材料上两个有源母线之间的预定间距处的假母线。
技术实现要素：
本发明的第一方面提供了一种包括电热加热元件的风力涡轮机叶片，电热加热元件包括：电阻性片状材料；第一电极，其与片状材料电性接触并定位在元件的第一端处；第二电极，其与片状材料电性接触并定位在片状材料的第二端处；以及导电条带，其跨过元件的宽度延伸，其中，片状材料在条带的第一侧具有第一部分，在条带的第二侧具有第二部分，条带与片状材料的第一和第二部分电性接触，片状材料的第一部分具有第一宽度，片状材料的第二部分具有与第一宽度不同的第二宽度。
第二宽度可以大于第一宽度或小于第一宽度。
片状材料的不同宽度使元件能够为叶片的不同部分提供量身定做的、可变的热通量。导电条带跨过垫子的宽度形成等电位线，使加热效果更加均匀。
片状材料的第一和/或第二部分可以有改变的宽度(例如连续渐变)，但更优选地，片状材料的第一部分具有基本恒定的宽度，片状材料的第二部分具有基本恒定的宽度。这就在每一个部分内提供了均匀的加热效果。
优选地，片状材料的宽度在导电条带处具有阶梯状变化。导电条带避免了在阶梯状变化处产生热点。
在一个实施方式中，片状材料的第一部分和片状材料的第二部分由带有一对表面的片状材料的单一垫子形成，而条带由垫子的其中一个表面承载。这是很有利的，因为其容易通过将垫子切成适当大小并将条带附接至该垫子的其中一个表面来制造。在这种情况下，条带通常经由垫子的其中一个表面与片状材料的第一和第二部分电性接触。
在其他实施方式中，片状材料的第一部分和片状材料的第二部分由片状材料的单独面板形成。在这种情况下，第一和第二部分可以重叠，它们可以边对边结合，或者它们可以由间隙分开。
条带与片状材料的两个部分电性接触，但其可能不会与片状材料的两个部分物理接触。
条带优选地与片状材料的一个或两个部分物理接触。
条带优选地与片状材料的至少第一部分物理接触。
在一个实施方式中，条带具有与片状材料的第一部分物理接触的第一条带部分，以及与片状材料的第二部分物理接触的第二条带部分。
优选地，第二宽度小于第一宽度，并且条带跨过片状材料的第一部分的宽度延伸。
加热元件在第一和第二部分的交接处可以只具有单一导电条带，或者其可以包括由片状材料的第一部分承载的第一导电条带和由片状材料的第二部分承载的第二导电条带。第一和第二条带可以通过导电线缆或导电横杆结合。
条带可以有基本为矩形的截面，或诸如圆形之类的任何其他截面轮廓。
叶片可以有根部和尖端，片状材料的第二部分可以比片状材料的第一部分更接近尖端。这是有利的，因为元件在需要的尖端附近输出较高的热通量。
加热元件可以定位在叶片的一部分中，在那里，叶片朝向尖端向内渐变。这是有利的，因为元件可以有互补的渐变形状。
导电条带可以与叶片的弦线平行。
可选地，叶片具有前缘，而加热元件具有与叶片的前缘平行的前缘。
可以提供一种系统，通过使电流经由第一和第二电极流过电阻性片状材料来驱动电热加热元件。
片状材料的每一个部分都可以配置为产生跨过其区域基本均匀的热通量。
片状材料的第一部分可以配置为产生第一热通量，片状材料的第二部分可以配置为产生大于第一热通量的第二热通量。
片状材料的第一和第二部分可以有基本相同的片状电阻。
片状材料可以包括随机取向的纤维(例如纱)。
元件可以只具有导电条带，但更典型的是其进一步包括跨过元件的宽度延伸的第二导电条带，片状材料的第二部分在第二条带的第一侧，片状材料在第二条带的第二侧具有第三部分，第二条带与片状材料的第二和第三部分电性接触，片状材料的第三部分具有与第二宽度不同的第三宽度。例如，第三宽度可以大于第二宽度或小于第二宽度。
片状材料的第三部分可以有基本恒定的宽度。
导电条带可以相互平行。
导电条带可以与叶片的弦线平行。
例如，该(或每一个)导电条带可以是铜制条带，也可以由任何其他合适的导电材料制成。
附图说明
现在将参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中：
图1示出风力涡轮机；
图2示出带有电热加热元件的风力涡轮机叶片；
图3示出电阻性材料的垫子；。
图4示出包含图3的垫子的电热加热元件；
图5从一个边缘示出元件；
图6示出电热加热元件的第一驱动系统；
图7示出电热加热元件的第二驱动系统；
图8示出电流如何跨过不带铜制条带的图6的电热加热元件流动；
图9示出三个电阻性片状材料的面板；
图10示出包含图9的面板的电热加热元件；
图11从一个边缘示出图10的元件；
图12示出带有由H形电连接件连接的加热垫子面板的电热加热元件；
图13示出四个电阻性片状材料的面板，它们被用来构建图12的元件；
图14示出渐缩的电热加热元件；
图15示出在没有铜制条带的情况下，图14的元件的渐缩的垫子中的电流线；
图16示出带有阶梯状的铜制条带的阶梯状的电热加热元件；
图17示出四个电阻性片状材料的面板，它们被用来构建图16的元件；
图18示出带有重叠面板的电热加热元件；
图19示出带有不同长度的部分的电热加热元件；
图20示出宽度先下后上的电阻性材料的垫子；以及
图21示出包含图20的垫子的电热加热元件。
具体实施方式
图1示出风力涡轮机1。风力涡轮机1具有塔架2和位于塔架2顶部的机舱3。风力涡轮机转子4连接至机舱3，并布置为相对于机舱3旋转。风力涡轮机转子4包括风力涡轮机轮毂5，以及从轮毂5伸出的多个风力涡轮机叶片6。虽然示出具有三个叶片4的风力涡轮机转子4，但也可以使用诸如两个或四个之类的不同数量的叶片。
每一个叶片6具有一排沿其前缘嵌入的电热加热元件。加热元件可以用于叶片6的防冰(防止积冰)或除冰(去除积冰)，或者两者都有。图2示出这种加热元件10中的单一一个，其他加热元件在图2中被省略了。
加热元件10包括由诸如随机取向的纤维(例如碳纤维纱或碳/玻璃纤维纱)或金属网之类的电热片状材料制成的电热加热垫子9。垫子9在图3中示出为不带加热元件10的任何其他部件。
垫子9制造成长方形，然后在一侧裁切，形成从一端到另一端宽度减少的阶梯形状。垫子9具有宽度分别为w1、w2、w3、w4的四个部分11、12、13、14。垫子9具有如图2所示沿着叶片的前缘前进的前缘15，还具有在每一个相邻的部分之间以阶梯11a、12a、13a裁切的阶梯状的后缘16。
为了便于说明，垫子的前缘15在图中示出为直线，但通常情况下，其以柔和曲线裁切，以符合叶片的弯曲形状。同样，为了便于说明，垫子的后缘16示出为在阶梯11a-13a之间的直线，但通常情况下，其以遵循前缘15的曲线的柔和曲线裁切。因此，在这种情况下，各部分11-14并不是严格意义上的矩形，尽管它们在垫子的弯曲边缘之间的宽度w1-w4基本恒定。
图3中示出四个部分11-14，但在实践中可以使用较小或较大的数量。例如，可能只有两个或三个部分，或更多的部分。
如图3所示，所有的零件可以有不同的宽度，或者只有部分零件可以有不同的宽度。
如图5所示，垫子9的四个部分11-14由带有上表面9a和下表面9b的单片电阻性片状材料形成。
如图4所示，第一铜电极20附接至垫子的上表面9a，与片状材料电性接触，并定位在元件10的第一端处。第二铜电极21附接至垫子的上表面9a，与片状材料电性接触，并定位在元件10的第二端处。
在这个示例中，各电极20、21附接至垫子的上表面9a，但在其他示例中，电极可以附接至下表面9b或两个表面91、9b。
本示例中的各电极20、21是由铜制成的，但也可以使用其他导电材料(通常是金属)。
铜制条带22、23、24在沿元件长度的中间点处跨过元件的宽度延伸。每一个铜制条带由垫子的上表面9a承载，并与其电性接触。每一个条带定位在垫子的一对相邻部分之间的交接处，在宽度的阶梯状变化处。因此，每一个条带在一侧具有垫子的第一部分，在另一侧具有垫子的第二部分。
例如，垫子在条带22的第一侧具有第一部分11，在条带22的第二侧具有第二部分12。条带22经由垫子的上表面9a与片状材料的第一和第二部分11、12电性接触。片状材料的第一部分11具有第一宽度w1，片状材料的第二部分12具有小于第一宽度w1的第二宽度w2。这种情况沿着元件10的长度重复进行，片状材料的宽度在每一个连续的铜制条带上都有所下降。
本示例中的条带22-24是由铜制成的，但也可以使用其他导电材料(通常是金属)。
从图5中可以看出，各电极20、21和各铜制条带22-24具有基本上矩形的横截面，尽管其他横截面形状也是可能的。
垫子9的片状材料具有所选择的片状电阻，以便当在各电极20、21之间施加电压时，由于电阻或欧姆加热，垫子9以所需的热通量产生热量。
电极和铜制条带按长度L1、L2、L3和L4隔开。这些长度可以是相同的，也可以是不同的。
垫子每一个部分的热通量H与宽度w的关系由以下公式决定：
因此，举例来说，如果各部分11-14的宽度以100％、90％、80％、70％的系列变化，则热通量以100％、123％、156％、204％的系列变化。因此，在这种情况下，元件窄端处的热通量是宽端处的热通量的两倍以上。
在另一个示例中，长度为1.6米，宽度从0.5米减少到0.35米，总电阻为115欧姆的四部分阶梯状元件，如果用400伏特电源驱动，则将会提供从1.45千瓦/米2到3千瓦/米2的热通量。
下面的表1给出了另一个示例，其示出由577伏特电源驱动的、长度为2米、宽度从0.5米减少到0.35米、总电阻为80欧姆的四部分阶梯元件的各种参数。
表1
如图2所示，叶片6具有根部6a和尖端6b。加热元件10定位在叶片的外侧部分，在那里，叶片朝向尖端6b向内渐变。叶片的该外侧部分往往比内侧部分增加更多的冰，而且叶片的空气动力通常朝向尖端6b增加。因此，将加热元件的窄端定位在比宽端更靠近尖端6b(如图2所示)，给出理想的结果，即叶片朝向尖端受到更高强度加热。各电极20、21和各铜制条带22-24相互平行，并与叶片的弦线平行。
加热元件10的向内渐变的轮廓也带来了好处，使其能够与叶片6的向内渐变的轮廓相匹配(理想的是加热元件的宽度约为叶片的弦线的20％或25％)。
图6示出通过使电流经由各电极20、21流过电阻性片状材料来驱动电热加热元件10的第一系统。每一个电极20、21具有连接至电源30的相应连接件20a、21b。电源30在各电极20、21之间施加交流或直流电压V。如果各电极之间的电阻是R，则由加热元件输出的总功率是V2/R或I2R，其中I是电流。图6中的虚线箭头示出电流的方向，其以直线而且只在一个方向上前进。因为垫子9的每一个部分具有基本恒定的宽度，并且在每一个端部具有电极或导电条带(电阻基本为零)，所以垫子的每一个部分内的电流密度(和相关的热通量)跨过该部分的整个长度和宽度是均匀的。
图7示出第二驱动系统。在这种情况下，电源30以相同的电压驱动电极20、21，中间的铜制条带23用作中性电极，因此电流朝向或远离中性电极流动。
图8示出在没有任何铜制条带22-24的情况下，流经图3的阶梯状垫子的电流。在宽度中的每一个阶梯状变化11a-13a处，电流线聚集在一起，形成不期望的热点。在电极21旁边的加热元件的尾部边缘也具有强烈的热点。这种热点被各铜制条带22-24减少或完全去除，铜制条带跨过垫子的宽度形成等电位线。
各铜制条带22-24也可用作“假”(dummy)母线，使维修能够以更有效的方式实现，如WO2019/001657所述，其内容通过参考而纳入本文。
在图3-5的实施方式中，元件包括单一的电阻性片状材料的垫子9，其被裁切成适当形状。图9-11示出备选元件100，其中四个部分由电阻性片状材料的单独矩形面板111-114制成，该单独矩形面板由各铜制条带122-124结合在一起并且在两端具有电极120、121。各面板111-14由间隙隔开，该间隙由各铜制条带122-124填充。
每一个面板111-114具有基本恒定的宽度w1-w4，以在面板内实现均匀的热通量。片状材料的宽度在每一个铜制条带处具有阶梯状变化112a、112a、113a。
在图10和11的情况下，每一个条带122-124在平面上是矩形的，并且在条带两侧与面板边缘物理接触。图12示出备选元件200，其中各面板211-214(在图13中单独显示)通过H形连接件电性耦合。每一个连接件包括一对跨过元件的宽度延伸铜制条带220、221，还具有可以是铜制条带或导线的横条222。每一个铜制条带220、221由面板211-214中的相应面板的上表面承载，并与其电性接触。各面板211-14通过由导电横杆222桥接的间隙分离。
在上述实施方式中，加热垫子的每一个部分具有基本恒定的宽度w1-w4，以在面板内实现均匀的热通量。然而，这并不是必要的，在图14所示的本发明的备选实施方式中，元件300配置有被裁切的加热垫子309，使得每一个部分311-314具有连续渐变的宽度，铜制条带322-324如图所示布置。
图15示出在没有任何铜制条带322-324的情况下，流经图14的渐缩垫子309的电流。在垫子309下部的电流线是平行的，但是在渐缩的上部，它们会汇聚在一起，产生强烈的热点350。图14的元件在每一个部分311-314的角落处具有热点330，但这些热点没有图15的情况下的热点250强烈。热点250中的热通量可能超过设计极限，导致该区域的损坏。
在图4的实施方式中，铜制条带22由片状材料的第一部分11承载，使得其与第一部分11物理接触，但不与片状材料的第二部分12物理接触(尽管其与第二部分12电性接触)。在图16的备选实施方式中，每一个铜条具有阶梯形状并且横跨交接处，使得其与条带两侧的垫子的两个部分物理接触。每一个条带都具有由垫子的较宽部分承载的宽条带部分22a、23a、24a以及由垫子的较窄部分承载的窄条带部分22b、23b、24b。
在图10和12的实施方式中，各单独面板不重叠。在图17和18所示的备选实施方式中，加热垫子面板511-514被裁切成图17所示的形状，然后如图18所示重叠在一起。铜制条带522-524附接至最宽面板511-513的上表面以形成完整元件500。
图19示出带有第一和第二部分611、612的加热元件600，该第一和第二部分具有不同长度以及不同宽度。
图20示出加热垫子709，该加热垫子被裁切成带有不同宽度的部分711、712、713。宽度在各部分711、712之间的第一阶梯处减少，然后在各部分712、713之间的第二阶梯处增加。然后加入铜制条带722、723和电极720、721，如图21所示，以形成加热元件700。
虽然本发明在上面已经参照一个或多个优选实施方式进行了描述，但可以理解的是，在不脱离所附权利要求书中定义的本发明范围的情况下，可以进行各种改变或修改。
